如何使(shǐ)超聲波設計(ji)中應用及擴(kuo)充

1 智能(neng)超聲波距離(li)提示器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測距(ju)

超聲波(bo)是指超過人(ren)的聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(sān)十年 ,特(te)别是近十年(nián)來，由于電子(zǐ)技術及壓電(dian)陶瓷材料❄️的(de)發展，使超聲(sheng)檢測技術得(de)到了迅速的(de)發展。超聲技(jì)術是一門以(yǐ)物理📐、電子🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、機(jī)械、及材料學(xue)爲基礎的通(tong)用技🌈術之一(yi)。超聲技術是(shì)通過超聲波(bō)産生、傳播及(jí)接收的物理(lǐ)過程而完成(cheng)的🛀。超聲波具(jù)有聚束、定🐅向(xiàng)及反射、透射(she)等特性。

超聲檢測技(ji)術是利用超(chao)聲波在媒質(zhì)中的傳播特(te)性 (聲速(su)、衰減、反射、聲(sheng)阻抗等 )來實現對非(fei)聲學量 (如密度、濃度(du)、強度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液(yè)☂️位、厚度💁、缺陷(xiàn)等 )的測(cè)定。它的基本(ben)原理是基于(yú)超聲波在介(jiè)質中傳播🈚時(shí)遇到不同的(de)界面，将産生(sheng)反射，折射，繞(rao)射，衰減等現(xiàn)象，從🐇而使傳(chuan)播👌的聲時，振(zhèn)幅，波形，頻率(lü)等發生相應(ying)變化，測定💘這(zhe)些規律的變(biàn)🛀🏻化，便可得到(dào)材料的某些(xie)性質與内部(bu)構造情況。與(yǔ)傳統超聲技(jì)術*不同，新的(de)超聲技術具(ju)有以下特點(dian)：在不破壞媒(méi)質特性的情(qíng)況下實現非(fei)接觸性測量(liang)，環境适應能(neng)力強，可實現(xian)在線🍓測量。

1． 2 超聲(sheng)波發生器的(de)種類

爲(wèi)了研究和利(lì)用超聲波，人(rén)們已經設計(jì)和制成了許(xu)多超聲波發(fa)生器。總體上(shang)講，超聲波發(fa)生器可以分(fen)爲兩大類：一(yī)㊙️類是用電🔴器(qì)方式産生超(chāo)聲波，一類是(shi)用機械方式(shi)産生超聲波(bō)，電器方式包(bāo)括壓電型，磁(ci)緻伸縮型和(he)電動型等；機(jī)械🚩方式有加(jia)爾統笛，液🔴哨(shao)和氣流旋笛(dí)等。它們所産(chan)生的超聲波(bō)的頻率，功♉率(lǜ)和聲波特性(xing)各不相同，因(yīn)而🈚用途也各(ge)不相‼️同。目♉前(qian)較爲常用的(de)是壓電式超(chāo)聲波發生器(qi)。雅典市超聲(sheng)🍓波發生器實(shi)際上✌️是利用(yong)壓電晶體的(de)諧振來工🔴作(zuo)的。

它有(yǒu)兩個壓電晶(jing)片和一個共(gong)振闆。當它的(de)兩極外加❤️脈(mò)沖信号，其頻(pín)率等于壓電(dian)晶片的固有(you)震蕩頻率時(shí)，壓電晶片将(jiāng)會👣發生共振(zhen)，并帶動共振(zhen)闆振動，便産(chan)生超聲波。反(fǎn)之，如果兩電(diàn)極間外⁉️未加(jiā)電壓，當共振(zhèn)闆接受到超(chāo)聲波時，将壓(yā)迫壓電晶🏃片(piàn)做震動，将機(jī)械能轉換爲(wèi)點信号，這時(shí)它就成爲超(chao)聲波接受器(qi)了。

2 研究(jiū)的意義

2.1 超聲波用于(yu)距離測量的(de)優勢

由(you)于超聲波頻(pin)率較高，沿直(zhí)線傳播，繞射(shè)小，穿透力強(qiáng)💞，指向性強，傳(chuan)輸過程中衰(shuai)減少，能量消(xiao)耗緩慢，在介(jie)質中傳播的(de)🎯距離較遠，遇(yù)到雜質或分(fen)界面時會産(chan)生反射波，因(yīn)而超聲💛波經(jīng)常用于距離(li)的測量。超😍聲(shēng)波有兩個特(tè)點，一個是能(néng)量大，一個是(shì)沿直線傳播(bo)，它的應用就(jiù)是按照這兩(liǎng)個特點展開(kāi)的。

超聲(shēng)波與一般聲(shēng)波比較，它的(de)振動頻率高(gāo)，而且波長短(duan)，因而具有束(shù)射特性，方向(xiàng)性強，可以定(dìng)向傳播，其能(neng)量遠遠大于(yu)振幅相✔️同的(de)一般聲波，并(bìng)且具有很高(gao)的穿透能力(lì)。

2.2 研究的(de)意義

本(ben)設計采用單(dān)片機來實現(xiàn)智能超聲波(bō)測距，雖其在(zài)功能上是不(bu)能與商品的(de)，高精度的智(zhì)能超聲波🔞測(cè)距♻️儀相比的(de)，但優點在于(yú)系統規模較(jiào)小，器件更換(huan)容易，成本低(di)，有一定⛷️靈活(huó)性。但不适宜(yí)用于測量過(guo)于或者過大(da)的距離，容易(yi)産生誤差。

3 研究的關(guān)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhōng)共用到了兩(liang)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pin)率的性 ,在設計時用(yòng)到了單片機(jī) ,因爲頻(pin)率發生電路(lu)是整個電路(lù)的核心 ,有單片機發(fā)生的頻率必(bi)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(hui)産生很大誤(wù)差。在考慮整(zhěng)體方案🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的時(shí)候，也想到用(yòng)一片單片集(ji)成電路來完(wan)成頻💋率信㊙️号(hao)的産生及其(qi)分類工作，也(ye)*可以實現電(dian)路的功能，但(dàn)是要想實現(xiàn)高精✊度要求(qiú)，有些困難。zui後(hòu)🐇還是選擇用(yong)單片機來完(wan)成頻率的産(chan)生工作。

*個頻率，超聲(shēng)波的發射中(zhōng)心頻率，信号(hao)本來就是 40kHz，并由單片(piàn)機的 P3． 0口輸出。這(zhe)是由單片機(ji)内部的定時(shí)器由軟件編(bian)程所産💋生，具(ju)體需要由程(chéng)序來設定。

第二個頻(pín)率就是單片(piàn)機進行數碼(ma)顯示的計數(shu)頻率，在計算(suàn)之✨前首先要(yao)明确我們要(yào)設計的超聲(sheng)波💃測距精度(du)是多少，而⛱️在(zai)本設計中，設(she)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳(chuán)播到反射物(wu)，再由反射物(wu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻反射❤️到接收(shōu)器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(lí)，而大家知道(dao)，聲波在标準(zhǔn)氣壓下 15℃的傳播速度(du)爲 341m／ s，因此，我們要(yào)設計成在一(yī)個時鍾周期(qi)内超聲波所(suo)傳播的距離(lí)爲 0.02mm，這樣(yang)便可以計算(suan)出定時器的(de)溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一(yi)個時鍾周期(qī)内所測的距(ju)離便爲 0.01m。 N個周期(qī)所測的距離(lí)爲 N×； 0.01m， N個周期(qi)有 N個方(fāng)脈沖，也就是(shi)說，計數器測(cè)得的脈沖數(shu) N即爲被(bèi)測距離，不過(guo)其單位爲 0.01m，因此應把(ba)計數顯示器(qi)的小數點點(dian)在百位數和(hé)個位數之問(wèn)，那麽示值是(shi)以“米"爲單位(wei)，其zui大顯示值(zhi)爲 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(neng)

本設計(jì)主要的實現(xiàn)功能如下：

由單片機(ji)産生頻率爲(wèi) 40kHz的方波(bō)脈沖信号，超(chāo)聲波發射端(duān)發出信号，遇(yù)到障礙物㊙️返(fǎn)回，被接收端(duan)接收到。由單(dān)片機計算出(chu)探頭與障🛀礙(ai)物之間的距(jù)離，這就是被(bèi)測距離。

技術指标：

設計精度(dù)爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測(cè)量距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統結構(gou)

系統的(de)基本組成包(bao)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(dà)器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收(shou)探頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整個系(xi)統能夠正常(chang)、順利的工作(zuo)，就得有一個(gè)好的硬件和(he)軟件。

本(ben)方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核(he)心，通過對其(qí)進行軟件編(bian)程，實現該單(dān)片機對👣其外(wài)圍電路的适(shi)時控制，并提(ti)供給外圍電(diàn)路各種所需(xu)的信号，包括(kuo)頻率振蕩信(xìn)号、數據處理(li)信号等等，大(dà)大簡化了外(wai)圍電😘路的設(shè)計難度，同時(shí)更重要💁的是(shi)該種設計方(fang)案大大節省(shěng)🈲了設計成本(ben)，并且由于是(shì)采用軟件編(biān)程技術，所以(yǐ)其移植性能(neng)好，在設計電(diàn)路時可以将(jiāng)其他更多的(de)👨‍❤️‍👨功能設計進(jìn)去，而我們在(zai)設計電路闆(pǎn)👨‍❤️‍👨時就可以根(gen)據自己的設(shè)計目的焊接(jie)元件。

在(zai)初始方案設(she)計時，我打算(suan)在超聲波發(fa)射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控(kong)電路，當 R=1； (S=0)時複位(wei)，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shang)電複位時， D觸發器 CD4013的 Q腳(jiǎo)輸出低電平(píng)加到單片機(ji)的 P3-3口，不(bu)啓動内部計(ji)數器，處于等(děng)待狀态。

在超聲波接(jiē)收端設計了(le)一個信号放(fàng)大電路，采用(yong)兩級同相交(jiao)流放大器，通(tōng)過參數設置(zhì)，每一級放大(da)了約 20倍(bei)，這樣經過兩(liang)級放大後，接(jie)收到的超聲(sheng)波信号就被(bèi)放大了幾乎(hū)是 400倍，完(wán)夠被後續檢(jiǎn)測電路檢測(ce)到。接收傳感(gan)器 L2将反(fan)射的超聲波(bo)轉換爲電信(xin)号後，由放大(dà)器放大後再(zài)🤞送🐆到由 U1B、 U1C等組成(chéng)的斯密特整(zhěng)形電路整理(li)成規範的方(fāng)脈沖。電阻 R11和電位器(qì) R12爲同相(xiàng)端提供直流(liu)偏置電位。需(xū)要注意的是(shì)這兩💔個直流(liú)偏置電阻的(de)作用是相當(dang)重要的，它可(kě)以很👈好地穩(wěn)定運放 A741的直流工作(zuò)點，不緻于使(shǐ)其同相輸入(rù)端出現浮動(dòng)狀㊙️态，而❄️造成(chéng)輸入信号不(bú)穩定。

由(yóu)于本超聲波(bo)測距系統精(jing)度要求是 lcm，故本人在(zài)進行距離顯(xian)示電路部分(fèn)的設計時用(yong)到了🏃‍♀️三個數(shu)碼管，其可以(yi)顯示範圍爲(wei) 0． Olm至(zhi) 9． 99m，爲(wèi)了節省硬件(jian)開銷，本距離(lí)顯示電路沒(mei)有使用譯碼(ma)器，而🙇‍♀️是❓直接(jie)有效地利用(yòng)了單片機的(de)有限端口🏒來(lái)進行譯碼顯(xiǎn)示，但👌是zui後由(yóu)于仍然缺少(shao)一個端口，故(gù)用到了一個(gè)🚶二一四✔️譯碼(ma)器 74LS139。

經過老師指(zhi)導，對初始設(she)計方案進行(háng)修改，将原超(chāo)聲波發🙇‍♀️射電(diàn)🆚路改成用芯(xīn)片 LM386發射(she)，不使用原有(you)的門控電路(lù)。原超聲波接(jie)收電路改成(chéng)📧用集成 CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路(lu)。由于采取了(le)系統優化方(fang)案🍓，大大節省(shěng)了單片機的(de)接口，原本因(yīn)爲單片機機(jī)接口不夠而(er)擴🏃展的 74LS139芯片被省略(luè)，數碼管位選(xuǎn)直接接在單(dān)片機接口上(shàng)。這些💋優化大(da)大簡化了設(shè)計的複雜度(du)和焊接時的(de)困難🛀度。

在軟件方面(miàn)采用 C語(yǔ)言來編程，用(yong) C語言來(lai)編寫目标系(xì)統軟件，會大(da)大縮短開發(fa)周期，且明顯(xian)📧地增加軟件(jiàn)的可讀性，便(bian)于改進和擴(kuo)充。